Dự đoán và đánh giá phản ứng trong dung dịch các chất điện ly

Nội dung text: Dự đoán và đánh giá phản ứng trong dung dịch các chất điện ly

1. DỰ ĐOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ PHẢN ỨNG TRONG DUNG DỊCH CÁC CHẤT ĐIỆN LY 1. Dự đoán định tính chiều phản ứng trong dung dịch các chất điện ly Phản ứng trong dung dịch các chất điện ly có thể xảy ra ở các trường hợp sau: (1) Phản ứng tạo thành các sản phẩm ít phân ly Sản phẩm ít phân ly thường là nước, axit yếu, bazơ yếu và phức chất. (2) Phản ứng tạo thành các hợp chất ít tan (3) Phản ứng tạo thành các sản phẩm khí (4) Phản ứng tạo thành các sản phẩm oxi hóa - khử. 2. Đánh giá bán định lượng 2.1. Định luật tác dụng khối lượng và hằng số cân bằng Xét phản ứng tổng quát: aA + bB cC + dD Biểu thức định luật tác dụng khối lượng: (C)c (D)d K = (A)a (B)b ở đây, (i) chỉ hoạt độ cấu tử i và (i) = fi [i] (fi là hệ số hoạt độ của cấu tử i). K: hằng số cân bằng nhiệt động, phụ thuộc vào bản chất các chất phản ứng, nhiệt độ, không phụ thuộc nồng độ các chất. Về nguyên tắc, hằng số cân bằng của phản ứng càng lớn thì phản ứng xảy ra theo chiều thuận càng mạnh. Khi áp dụng biểu thức định luật tác dụng khối lượng để xem xét cân bằng trong dung dịch, người ta chấp nhận các quy ước sau: (1) Hoạt độ của các phân tử và ion chất điện ly trong dung dịch loãng bằng nồng độ mol, khi đó: [C]c [D]d K = = K C [A]a [B]b (2) Trong các dung dịch loãng, hoạt độ của các phân tử dung môi bằng phân số mol và gần bằng đơn vị, thí dụ, trong các dung môi nước thì (H2O) = 1. (3) Hoạt độ của các chất rắn nguyên chất nằm cân bằng với dung dịch có giá trị bằng đơn vị. (4) Hoạt độ của các chất khí nằm cân bằng với dung dịch bằng áp suất riêng phần của mỗi khí. (5) Đối với các phép tính gần đúng có tính chất định hướng, người ta thường chấp nhận KC = K với bất kỳ dung dịch nào. 2.2. Tổ hợp các cân bằng 2.2.1. Biểu diễn cân bằng theo chiều nghịch Quá trình thuận: MX Mn+ + Xn- K Quá trình nghịch: Mn+ + Xn- MX K' K' = 1/K = K-1 Hoặc lgK' = - lgK 1 Biên soạn: Lê Thanh Hải - GV trường THPT chuyên Lê Quý Đôn - Đà Nẵng
2. 2.2.2. Nhân cân bằng với một thừa số M + X = MX K nM + nX = nMX K' K' = Kn 2.2.3. Cộng các cân bằng M + X MX K1 MX + X MX2 K2 M + 2X MX2 K K = K1.K2 Nhờ vậy, ta có thể tổ hợp các cân bằng đơn giản thành một cân bằng phức tạp và tính được hằng số cân bằng của phản ứng phức tạp đó. 2.3. Dự đoán và đánh giá mức độ xảy ra của các phản ứng 2.3.1. So sánh các cân bằng Khi xem xét các hiện tượng xảy ra trong dung dịch có nhiều quá trình xảy ra đồng thời, thông thường ta phải lựa chọn quá trình chủ yếu nhất quyết định bản chất của hiện tượng. Muốn vậy, cách đơn giản nhất là so sánh các hằng số cân bằng. Tuy vậy, chỉ có thể so sánh các hằng số cân bằng cùng dạng. Thí dụ, có thể so sánh mức độ phân ly của các đơn axit hoặc các đơn bazơ, mức độ phân ly giữa các nấc của các đa axit hoặc đa bazơ, so sánh sự phân ly từng nấc của các phức chất hoặc so sánh độ tan của các kết tủa cùng dạng. Thí dụ 2.1: Trong dung dịch HCOOH có các cân bằng sau: + - -4 HCOOH H + HCOO K1 = 1,8.10 (1) + - -14 H2O H + OH K2 = 10 (2) + Vì K1 >> KW nên cân bằng chủ yếu trong dung dịch là cân bằng (1). Nói cách khác, nồng độ ion H trong dung dịch chủ yếu là do HCOOH phân ly ra. Thí dụ 2.2: Cho hỗn hợp Ag2CrO4 và Ag2S vào nước thì xảy ra các quá trình sau: + 2- -12 Ag2CrO4 2Ag + CrO4 Ks = 10 (1) + 2- -49 Ag2S 2Ag + S Ks' = 10 (2) + Vì Ks >> Ks' nên quá trình (1) xảy ra chủ yếu, nghĩa là nồng độ ion Ag trong dung dịch chủ yếu do Ag2CrO4 tan ra. 2.3.2. Đánh giá khả năng phản ứng Trong những trường hợp phức tạp, khi cần đánh giá gần đúng khả năng xảy ra của một quá trình nào đó thì ta phải tổ hợp các cân bằng có liên quan để thu được cân bằng mong muốn. Căn cứ vào giá trị hằng số cân bằng K tương ứng mà ta suy đoán chiều hướng phản ứng. Nếu K rất lớn, phản ứng xảy ra dễ dàng theo chiều thuận Nếu K quá bé, phản ứng hầu như không xảy ra. 3. Đánh giá định lượng 3.1. Định luật hợp thức (định luật tỉ lượng) 3.1.1. Tọa độ phản ứng 2 Biên soạn: Lê Thanh Hải - GV trường THPT chuyên Lê Quý Đôn - Đà Nẵng
3. Đối với một phản ứng đã cho thì tỉ số giữa độ biến đổi số mol n (hoặc độ biến đổi nồng độ mol C nếu thể tích hỗn hợp không đổi) của một cấu tử i với hệ số hợp thức của cấu tử đó là giống nhau đối với mọi chất tham gia phản ứng và tạo thành sau phản ứng. Tỉ số này được gọi là tọa độ phản ứng (ký hiệu là x). ni Ci x = hoặc x = i i 3.1.2. Tọa độ cực đại của phản ứng Trong một phản ứng, khi lượng chất ban đầu của các cấu tử khác nhau thì mức độ phản ứng phụ thuộc vào tỉ số giữa số mol ban đầu (hoặc nồng độ mol ban đầu) của các chất tham gia phản ứng với hệ số hợp thức tương ứng của mỗi chất. Tỉ số có giá trị bé nhất là tọa độ cực đại của phản ứng (ký hiệu xmax). 3.1.3. Thành phần giới hạn Thành phần giới hạn là thành phần của hệ sau khi phản ứng xảy ra với tọa độ cực đại. Nếu hệ có nhiều phản ứng xảy ra lần lượt thì thành phần giới hạn là thành phần sau khi phản ứng cuối cùng xảy ra với tọa độ cực đại. Thành phần giới hạn có thể coi là thành phần cân bằng nếu sau phản ứng chính, các cấu tử của hệ không tham gia một tương tác hóa học nào khác. 3.2. Tính thành phần cân bằng theo định luật tác dụng khối lượng Trong trường hợp các quá trình trong hệ dẫn tới một cân bằng duy nhất (cân bằng chủ yếu) thì có thể sử dụng định luật tác dụng khối lượng áp dụng cho cân bằng đó, kết hợp với các định luật hợp thức và định luật bảo toàn nồng độ để tính thành phần cân bằng. Để đơn giản cho việc giải phương trình định luật tác dụng khối lượng, ta nên chọn ẩn số là giá trị bé nhất trong số nồng độ các cấu tử ở trạng thái cân bằng. Như vậy, nếu hằng số cân bằng K rất bé thì chọn ẩn số trong số nồng độ cân bằng của các cấu tử tạo thành sau phản ứng, còn nếu hằng số cân bằng K rất lớn thì nên chọn ẩn số là nồng độ cân bằng của cấu tử tham gia phản ứng ứng với tọa độ phản ứng cực đại. 4. Định luật bảo toàn vật chất Định luật bảo toàn vật chất áp dụng cho các chất điện ly trong dung dịch thường được biểu thị dưới 3 dạng sau đây: 4.1. Định luật bảo toàn nồng độ ban đầu 4.1.1. Biểu diễn nồng độ trong tính toán cân bằng Trong tính toán cân bằng, người ta thường sử dụng nồng độ mol với các quy ước sau: (1) Nồng độ gốc (Co): là nồng độ của cấu tử trước khi đưa vào hỗn hợp phản ứng. (2) Nồng độ ban đầu (C): là nồng độ của cấu tử trong dung dịch với giả sử cấu tử chưa tham gia bất kỳ một quá trình nào hoặc nồng độ của cấu tử trong dung dịch khi trộn các dung dịch lại với nhau và giả sử cấu tử chưa tham gia bất kỳ một quá trình nào. Khi trộn các dung dịch với nhau, nồng độ ban đầu của các cấu tử là: o o C i.V i C = i V o V i : Thể tích dung dịch i đã lấy để đưa vào hỗn hợp phản ứng V : Tổng thể tích của dung dịch hỗn hợp khi trộn các dung dịch lại với nhau. (3) Nồng độ cân bằng ([ ]]: là nồng độ của cấu tử trong dung dịch ở trạng thái cân bằng. 3 Biên soạn: Lê Thanh Hải - GV trường THPT chuyên Lê Quý Đôn - Đà Nẵng
4. 4.1.2. Định luật bảo toàn nồng độ ban đầu Nồng độ ban đầu của một cấu tử bằng tổng nồng độ cân bằng của các dạng tồn tại của cấu tử đó trong dung dịch ở trạng thái cân bằng, khi tính cần chú ý đến chỉ số trong các công thức hóa học. Thí dụ 4.1: Trong dung dịch CH3COOH, C mol/l có các cân bằng sau: - + CH3COOH CH3COO + H + - H2O H + OH - Do đó: C = [CH3COOH] + [CH3COO ] 2+ + - Thí dụ 4.2: Trong dung dịch FeCl 3 tồn tại các cấu tử có chứa Clo là FeCl , FeCl2 , FeCl3 và Cl . Định luật bảo toàn nồng độ ban đầu áp dụng cho ion Cl- là: 2+ + - CCl - = [FeCl ] + 2[FeCl2 ] + 3[FeCl3] + [Cl ] 4.2. Định luật bảo toàn điện tích Dung dịch chất điện ly trung hòa về điện, nghĩa là về số trị, tổng điện tích dương của các cation bằng tổng điện tích âm của các anion có mặt trong dung dịch. Thí dụ: Phương trình bảo toàn điện tích đối với dung dịch chứa các cation K +, K2+, K3+ và các anion A-, 2- A có nồng độ mol tương ứng C1, C2, C3, C4, C5 là: C1 + 2C2 + 3C3 = C4 + 2C5 4.3. Định luật bảo toàn proton (điều kiện proton) Định luật bảo toàn proton là trường hợp riêng của định luật bảo toàn vật chất áp dụng cho các hệ axit-bazơ. Nếu ta lấy các chất ở một trạng thái nào đó của dung dịch (có thể là một trạng thái ban đầu hoặc một trạng thái giả định nào đó) làm trạng thái so sánh mà ta gọi là "mức không" thì nồng độ proton trong dung dịch ở trạng thái cân bằng bằng tổng nồng độ proton do các chất từ mức không phân ly ra trừ tổng nồng độ proton bị các chất ở mức không thu vào. Thí dụ: Viết biểu thức điều kiện proton cho dung dịch NaCN. NaCN Na+ + CN- - Mức không: CN , H2O Các cân bằng trong dung dịch: + - H2O H + OH CN- + H+ HCN Biểu thức điều kiện proton: [H+] = [OH-] - [HCN] 4 Biên soạn: Lê Thanh Hải - GV trường THPT chuyên Lê Quý Đôn - Đà Nẵng